天地波組網雷達同步控制系統設計

(武漢大學電子信息學院,湖北武漢430072)

0 引言

高頻地波雷達(HFSWR)主要用于監測海洋風浪流場,以及對海上低速目標的監視,它具有超視距、大范圍、全天候以及低成本等優點,被認為是一種能實現對各國專屬經濟區(EEZ)進行有效監測的高科技手段[1]。為了使這種技術能夠應用于遠海,覆蓋更為廣闊的范圍,為氣象研究、防災減災提供重要的海洋風浪場數據,支持走向大洋的戰略,我國展開了天地波一體化組網雷達的研究。

天地波組網是指雷達采用天波與地波組網模式,主要由高頻天波發射站、地波發射站和地波接收站組成。天波在預編制的掃描方案的控制下,發射信號覆蓋所需探測的海域空間,地波站則接收經由海面反射回來的回波信號,從回波信號中根據一階布拉格峰的多普勒頻移得到海洋流速,從二階峰獲取海浪等信息。

由于天波發射與地波接收可構成多種工作模式,存在多種形式的散射鏈路,多種收發模式組合能夠獲取大量非后向散射回波,因此可以獲得較為豐富的海面回波信息,既有益于探測距離的拓展,也有利于對地波探測區域實施精細化觀測[2-3]。同時,天波發射、地波接收的雷達在探測距離和探測精度上可以互補,天波照射距離遠,精度較低;地波雷達探測距離近,探測精度較高。

在天地波組網探測的研究過程中,同步技術是其關鍵技術之一。對于天地波組網雷達系統,主要是三大同步問題,即為了測量目標距離及各站間的協調工作,要求各站有統一的時間標準,即時間同步。為了能夠接收和放大回波信號,各站的接收機必須工作在相同的頻率,即頻率同步。此外,對于脈壓和動目標顯示等相參工作方式的雷達,天地波組網雷達還必須像單站雷達那樣,即保證收、發在相位上的同步,保持相參性。在這三大同步中,核心是時間同步。因為在天地波組網雷達中,同步的時鐘是產生發射信號、接收信號、本振信號以及數字接收板采樣信號的基準。

本文提出了一種同步控制系統設計方案,該方案包括基于授時GPS實現的系統外同步模塊和基于FPGA實現的系統內同步模塊,并且所設計的硬件和軟件實現了該方案。外同步模塊通過GPS接收板產生精確穩定的時間和頻率信號,組網雷達以GPS時頻為基準,對組網中的各部雷達進行時頻同步,且時間同步精度可以達到0.1μs級,頻率穩定度可以達到10-12。同時,內同步模塊通過選用FPGA芯片實現同步時序靈活可配置,用以滿足雷達內部信號發射、接收和數據采集與處理的時序要求。本文介紹了天地波組網雷達的特點以及對同步系統的需求,以及提出了解決方案和實現方法。實驗結果證明了本方案的正確性。

1 組網雷達特點及對同步的需求

將天波電離層反射傳播模式和地波繞射傳播模式組合起來,可以用于建立天波/地波混合體制的天地波超視距組網雷達系統。天地波組網雷達是天波發射、地波接收的多站超視距雷達系統,具有威力大、覆蓋范圍廣、系統靈活等特點。

天地波組網高頻地波雷達主要由天波發射站、地波發射站和地波接收站組成,其示意圖如圖1所示。

圖1 天地波組網探測示意圖

1.1 天波發射系統

天波超視距雷達具有探測距離遠、覆蓋范圍大等特點。以澳大利亞金達萊(Jindalee)系統為例,典型的天波超視距雷達探測距離在800～3000 km之間,方位掃描區間大于60°,覆蓋范圍達到數百萬平方公里[4-5],這使得天波雷達成為大范圍連續監視能力性價比最高的手段之一。

在天地波組網高頻地波雷達系統中,天波發射系統采用全相參線性調頻連續波體制(FMCW)。天波系統可以連續運作,它在預編制的掃描方案的控制下,利用高頻電磁波經過電離層折射下視探測傳播機理和目標與海面后向散射傳播原理,實現海面反射回波的海洋動力學參數的探測。電磁波所覆蓋的體積空間海洋區域,其海洋回波數據由地波站接收機獲取[6-8]。同時,我們可以利用移動平臺地波雷達,和天波超視距雷達組網,從而實現遠洋多地區多方位的海洋信息。因此,天波超視距系統在海洋探測方面具有很大的發展空間。

1.2 地波組網系統

地波組網高頻地波雷達是指發射機、接收機分別置于多站且分置距離可和雷達探測距離相比擬的地波組網雷達系統。在單站高頻地波雷達研究的基礎上,國內外對高頻地波超視距雷達組網探測技術也已經開展了許多研究工作,如加拿大的IMS系統由兩部岸基高頻地波雷達構成的組網探測;澳大利亞的SECAR系統則是采用了收發分置的岸基雙基地高頻地波雷達試驗系統。

與單站地波雷達相比,組網雷達系統是一個更加復雜的系統工程,要求多部地波雷達能協同工作,它可充分利用其他站的非后向散射信號和自發自收的后向散射雷達波信號來探測同一距離元的多方位信息[9-10]。由于收發分離且多站,不僅擴大了雷達的覆蓋范圍和定位精度,而且增強了探測信息的角度分辨率、距離分辨率等。

1.3 天地波同步的需求

考慮到用于天地組網探測采取多站工作模式,收發分置,在系統的組網工作過程中,要獲得準確的信號群時延信息和多普勒信息,就必須保證發射端和接收端之間具備嚴格的時間同步和頻率同步特性。其原因大致如下：

地波站雷達采用線性調頻FMICW體制,一個脈沖周期內,其發射信號可以寫成：

式中,ω0為發射信號起始角頻率,T為掃頻周期,B為發射信號的掃頻帶寬。

目標位置可以表示為R(t)=R0+Vt,R0為t=0時的目標位置,V為目標遠離發射機時的移動速度。假設接收機和發射機處于同一位置,則延遲時間為

考慮發射機和接收機不同步的情況,接收機從t=t1時開始接收信號,且t1小于發射脈沖正脈寬。

令Δt=td+t1,Δt為發射機發射信號到達接收機的時差,那么接收信號可以表示為

接收信號經過射頻放大之后與發射信號混頻,經過低通濾波得到基帶信號：

經過混頻濾波之后,得到去掉高頻成分和脈沖調制的基帶信號,其所含頻率f1如下：

混頻之后的基帶信號如S I(t),其頻率f1代表了從信號發射至接收,信號產生的頻率偏移。然而,頻率偏移的大小,代表了探測目標所在的位置。因此,接收機和發射機的起點時差t1的不同,將引起接收機混頻之后的基帶信號頻率f1隨著t1變化而變化,最終導致距離向的判斷出現出錯[11]。所以,接收站和發射站必須進行嚴格的時間同步。

與時間同步類似,由于頻率偏移與距離有關,在組網雷達中,頻率同步也很重要;采用超外差式體制的接收機,回波信號通過與本振混頻對信號進行解調,混頻之后的頻率體現在回波信號與本振信號的頻差。因此無論是收發同站,或者收發分站模式,都必須進行頻率同步。而在多站組網工作時,采用了相位累加的方法實現多站多普勒譜圖的分離,因此,也必須實現相位同步。

2 方案設計

天地波組網高頻地波雷達同步控制系統設計主要包括外同步模塊以及內同步模塊的設計。外同步模塊,主要為系統提供時頻源,并實現組網中各部雷達的時頻同步。內同步模塊,用于產生系統工作所需的各種同步時序波形。只有當完成外同步和內同步之后,系統才實現了高精度、高穩定的同步。

2.1 外同步方案對比

常規雙/多基地雷達同步方法主要包括直接法和間接法。直接法是將發射機的發射觸發脈沖經過各種數據鏈路直接傳送到接收機以實現時頻同步。這種方法的數據鏈路易受干擾,且有線的數據鏈路需要在各站之間架線,成本高,而且布站靈活性差。對于要求納秒級的時頻同步方法最常用的是間接法,在此,著重論述常用的三種間接同步方法：微波/(光纖)鏈路雙向傳遞同步法、直達波同步法和GPS同步法。

(1)微波/(光纖)鏈路雙向傳遞同步

微波/(光纖)鏈路雙向傳遞同步法是由收站、發站原子鐘各自產生相應的穩定度和準確度與原子頻標同量級的定時脈沖,通過微波信道雙向傳遞定時脈沖,采用高精度遠程時間比對和頻率比對技術,測量遠程定時脈沖與本地定時脈沖之間的精確時間差(精度達納秒級)。測量出的時差包括收、發站的微波系統硬件引入的時差、空間傳播時差和收發站的定時脈沖間的時差。采用DDS技術,對原子鐘進行頻率修正和相位修正,控制兩站定時脈沖同步,兩站定時脈沖同步精度優于10 ns。圖2是微波/(光纖)鏈路雙向傳遞同步系統框圖。

圖2 微波/(光纖)鏈路雙向傳遞同步框圖

(2)直達波同步

在接收站和發射站距離不是太遠的情況下,由于直達波是按距離的平方衰減,直達波的信噪比較高,可以用于提取同步信號。接收站需要設置兩個接收通道：一個用來接收直達波信號,也稱參考信道,目的是提取同步信號;另一個則用來接收目標回波信號,以完成對目標的探測和跟蹤處理[12]。

由于天地波組網雷達采用天波發射、地波接收的模式。天波發射的直達波信號經過電離層反射到達各個接收機,所經過的距離達到1 000 km以上,已經不能滿足提取同步信號對信雜噪比的要求。

(3)GPS同步

全球導航衛星定位系統(GPS)作為一種空間信息資源可供全球分享,它是以衛星定位為基礎的微波定位導航系統。GPS接收機在定位的同時,結算出GPS時間,產生1 pps(脈沖數每秒)的信號,該信號的長期穩定度與GPS原子鐘同量級,可以作為頻率基準,且GPS接收機體積小,攜帶方便,只需將接收天線放置在開闊的場地即可在短時間內達到同步。

針對天地波組網雷達同步要求,我們對這些同步方法進行了對比,并在表1中列舉了各種同步方法的優缺點;GPS同步與其他傳統同步方法相比,具有使用方便、覆蓋范圍大、同步精度高、不受地理和氣候條件限制等眾多優點,且成本合理,是天地波組網雷達時頻同步的最佳方法[13-15]?；诖?我們選擇GPS為整個組網雷達系統提供外同步服務。

表1 外同步方案的優缺點___

2.2 外同步方案設計

(1)外同步模塊選取

外同步模塊選用GPS接收模塊作為組網雷達系統外同步源。GPS接收模塊主要包括GPS接收板卡和天線,能夠為組網系統中各站提供精準的頻率源和時鐘源。GPS外同步模塊,能夠聯合分布在各個不同地區的雷達系統,使它們成為一個統一的、高精度同步的組網雷達系統。如圖3所示,每個雷達站配備一個GPS接收機,GPS接收機在定位的同時,結算出GPS時間,產生1 pps秒脈沖信號。同時,系統響應1 pps秒脈沖信號的上升沿,并產生外同步更新信號進行實時同步更新。當各站都實現時間、頻率以及相位同步之后,整個組網雷達即實現了外同步。

圖3 GPS同步框圖

(2)外同步模塊特點

GPS接收模塊所采用的HJ5442M-4板,是一款高集成度的GPS馴服恒溫晶振同步時鐘模塊,該模塊集成了恒溫高穩晶振OCXO和高精度授時型GPS-OEM板,產生并發送精確穩定的時間和頻率信號(1 pps,10 MHz)。頻率輸出日平均準確度小于10-12,實時準確度可以達到5×10-10,為系統提供高精度的時間和頻率參考信號。如表2為GPS接收模塊的相位噪聲指標,表3為GPS頻率源穩定度列表。

表2 GPS相位噪聲列表

表3 GPS頻率源穩定度

GPS同步時鐘模塊特性如下：

①智能馴服 HJ5442M-4具有智能學習算法,在馴服晶振過程中能夠不斷“學習”高穩晶振的漂移等特性,并將這些參數存入板載存儲器中。當GPS出現異?；虿豢捎脮r,能夠自動切換到保持模式(hold-over mode),利用高效的智能保持算法,繼續提供高可靠性的時間和頻率基準信息輸出,在短時間內保持較高的精度。

②相位一致 1 pps時間信息是GPS馴服晶振輸出10 MHz信號經過分頻后得到秒脈沖信號,是UTC時間基準的“復現”,同時正弦波信號相位嚴格同步于時鐘頻率信號,不受GPS秒脈沖短時間隨機跳變帶來的影響。

(3)外同步模塊部分代碼

外同步更新程序實現了捕獲秒脈沖信號xo_pps1的上升沿,并在其上升沿到來時觸發更新脈沖信號update。同步控制模塊響應更新信號update,實時更新同步時序信號。其程序Verilog代碼如下所示：

2.3 內同步方案設計

(1)內同步模塊設計

根據組網雷達對同步控制系統參數設計的要求,內同步系統設計主要包括PCI接口模塊、基于FPGA芯片的雙口RAM和PCI時序控制模塊、主控模塊、同步控制模塊和系統復位電路,其中同步控制模塊是內同步系統的核心,內同步系統框圖如圖4所示。

由于雷達工作的狀態不同,同步信號的各參數在實際工作時往往需要調整,這就需要內同步系統在硬件上實現編程,在軟件上能夠準確設置參數。然后根據參數的設置產生固定的時序波形,使雷達達到嚴格的內同步。

因此,同步控制模塊選用了FPGA作為核心芯片,負責同步控制脈沖波形的產生。該模塊能夠根據上位機所設置的波形參數,實時生成同步時序波形,具有參數可靈活設置的優點,能夠滿足組網雷達所需的參數要求。

(2)內同步時序波形設計

在滿足雷達的總體技術指標要求下,為了避免雷達接收到的回波信號產生距離混疊或Doppler混疊,雷達波形參數必須經過嚴格的計算得出,包括信號掃頻周期、發射脈沖TP的周期、正脈寬以及壓低波脈沖TB的脈寬等。

圖4 系統內同步框圖

圖5 為系統內同步設計所需生成的同步時序信號。圖中各信號的作用解釋如下：

發射脈沖(TP)為了實現收發共站,高頻地波雷達采用線性調頻中斷連續波體制(FMICW),即采用占空比50%發射脈沖(TP)調制頻率合成器產生的線性調頻信號(FMCW),然后經過發射機放大之后通過天線發射出去。

壓低波脈沖(TB)主要用于控制接收機收發開關,即保證發射期間不接收,接收期間不發射,由圖5可以看出,TB正脈寬的前沿超前TP約10 μs,后沿滯后TP約10μs,其原因在于抑制發射信號(FMICW)泄露,因為發射信號的泄露會影響正?；夭ㄐ盘柕慕邮?。

線性調頻觸發脈沖(FMT)信號送至頻率合成器,作為線性調頻信號(FMCW)產生的觸發時間基準。

幀采樣觸發脈沖(FMS)信號送至數字采集板,作為中頻帶通采樣的觸發時間基準。

接收和監測切換信號(HOLD)用于控制接收機與頻譜監測儀分時工作。在其為高電平期間,頻譜監測儀開始工作,分析預定時間內環境噪聲頻率成分,供雷達進行實時選頻。同時,其上升沿也作為頻率合成器和數字采集板暫停工作的標志。

(3)內同步程序流程圖

在考慮組網雷達工作方式之后,所設計的同步控制系統工作的程序代碼,其工作流程如圖6所示,工作步驟如下：

① 系統等待上位機進行參數配置,當上位機參數配置操作完成,則傳輸給主控模塊起始標志信號;

圖5 同步時序波形

圖6 內同步系統程序流程圖

② 主控模塊響應該起始標志信號,并讀取雙口RAM模塊,然后將讀取的參數送給同步控制模塊;

③同步控制模塊接收傳輸過來的配置參數,并判斷系統工作模式：手動調試模式或GPS同步模式。

如果為手動調試模式,則系統檢測手動更新,當有手動輸入時,同步控制模塊開始輸出同步信號,該同步信號只適合單站工作模式;如果為GPS同步模式,則系統檢測GPS狀態,當GPS衛星和頻率信號均鎖定之后,同步模塊開始輸出同步信號,且在1 pps上升沿到來,同步時序波形進行更新,該同步信號適合天地波一體化組網同步工作模式。

3 實驗結果

根據上述同步控制系統方案,所設計制作的板卡如圖7所示。

圖7 同步控制系統板卡

同步控制系統主要包括PCI接口模塊、基于FPGA芯片的雙口RAM和PCI時序控制模塊、GPS接收模塊、主控模塊、同步控制模塊和系統復位電路;本系統采用標準的CPCI總線接口,CPCI具有高開放性、高可靠性和可熱插拔等特性,提高了整個雷達系統的穩定度。外同步模塊,即GPS接收模塊,它和同步控制模塊相連,用于提供GPS鎖定狀態信號和1 pps秒脈沖更新信號。同時,GPS接收模塊的UART和主控模塊通過max232電源轉換芯片相連,讀取GPS狀態語句并在上位機實時顯示地理位置、鎖定狀態等信息。內同步模塊,響應GPS狀態信息,并實時更新同步時序波形,而且內同步模塊可以實現參數靈活配置的要求,用以滿足組網雷達所需的各種工作模式。

3.1 閉環測試結果

為了驗證同步時序波形的正確性,我們對所有信號進行了閉環測試。部分關鍵信號測試結果如圖8和圖9所示。圖8中1號通道為發射脈沖(TP),2號通道為經過TP調制之后的線性調頻中斷連續波信號(FMICW信號)。圖9為經過發射脈沖(TP)和壓低波脈沖(TB)調制后的發射信號和本振信號。從圖中可以看出發射信號和本振信號的時序關系可以通過參數控制的,因此在實際實驗過程中,通過對發射信號的時序偏移,可以實現天地波站之間的距離補償。

圖8 發射脈沖和調制后的發射信號

圖9 同步信號調制之后的發射信號和本振信號

3.2 外場實驗結果

(1)實驗場地示意圖

經過系統閉環測試之后,我們進行了外場實驗測試。本次實驗采用崇陽天波站發射、龍海地波站接收和龍海地波站自發自收同時工作的天地波組網工作模式,天地波兩站地理分布示意圖如圖10所示。

圖10 天地波組網實驗場地示意圖

在電離層探測儀的監測下,天波發射站通過數字波束形成技術,利用對數周期天線發射具有一定指向和波束寬度的窄波束,該方向的波束能夠經過電離層反射覆蓋到所需探測的海洋區域[16]。在發射信號頻率、相位滿足同步的基礎上,對天波站發射信號加入時延,使天波海洋回波被搬移到與地波海洋回波不同的距離元,從而進行分離。從圖10可以看出,當天地波組網雷達同步之后,崇陽站發射的天波信號經過電離層反射到遠海地區,龍海地波站雷達接收機接收來至天波反射的信號以及自發的后向散射信號。

(2)實驗結果頻譜圖

2013年11月20日始,在龍海站進行了為期一周的天地波組網實驗。崇陽天波站發射頻率為13 MHz的線性調頻連續波(FMCW)信號,同時,龍海地波站發射頻率8 MHz的線性調頻中斷連續波(FMICW)信號,并且采用天線陣接收回波信號[17]。從實驗頻譜圖中不難看出,龍海站地波站不僅收到了從崇陽天波發射站發射的天波經海面散射的海洋回波,同時接收到了龍海站地波雷達自發自收的海洋回波。兩種不同傳播方式的海洋回波同時被接收機所接收,回波譜同時出現在多普勒譜中。通過分析接收機所接收的距離譜和多普勒,就可以實現對海洋表面風浪流場的反演[18]。圖11和12分別為回波的二維和三維距離譜。圖13為回波信號的多普勒譜圖。

4 結束語

在多次組網觀測實驗過程中,系統都快速地實現了高精度的同步,并且收到了有效回波,成功地實現了天地波組網高頻地波雷達精密同步。然而,在GPS外同步時,由于電離層擾動的存在,各站的外同步更新信號總存在變化的時差,對同步的精度有一定影響。因此,接下來的工作就在于根據電離層探測設備,實時監控電離層擾動狀態,并對各站時差進行補償,這樣就能進一步提高天地波一體化組網雷達的同步精度。

圖11 天地波組網二維回波距離譜

圖12 天地波組網三維回波距離譜

圖13 天地波組網實驗多普勒譜圖

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